变频器技术3.doc

变频器技术1. 变频器是能够将“直流电或交流电”转换为“电压、频率可调的交流电”（变压变频控制VVVF）的静止变流设备，它的主要功能是为交流电机等交流用电设备提供可控的电源，从而对电机进行控制。2. 变频调速技术是基于：电力电子技术、微控制器技术、电机控制理论和自动化控制理论的综合技术。3. 与串联电阻箱，电抗器等其他交流调速驱动方式相比，VVVF控制具有调速范围宽、动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等优点，同时交流电动机对环境适应性强，维修简单，价格低，易于实现高速大容量，这些优势使其逐渐取代直流电动机以往的重要地位。4. 电力电子技术：器件技术：不可空即是：二极管 半控型器件：晶闸管（SCR) 全控型器件：1电流控制型 GTO GTR 2电压控制型 MOSFET IGBT 变流技术：整流、逆变、直流斩波、交流变换四类。5. 变频器控制方法有：恒压频比（U/f）控制，转差频率控制和矢量控制等。6. 变频器分类 加电容 加电感 安主电路结构分：交-直-交（AC-DC-AC):电压型变频器和电流型变频器 交-交（AC-AC) 按输出电压调节方式分 脉幅调制（PAM)变频器 脉宽调制（PWM)变频器 正弦波脉宽调制（SPWM)变频器 空间矢量调制（SVPWM)变频器 按工作原理分类 恒压频比（U/f）控制变频器 转差频率控制变频器 矢量控制变频器 直接转矩控制变频器 按用途分 通用变频器 高性能专用变频器 单相变频器 高频变频器 风机、水泵、空调专用型变频器 按电压等级分 低压变频器（110V,220V,380） 中压变频器（500V,600V,1140) 高压变频器（3KV,3.3KV,6KV,6,6KV,10KV)7. 常用的交-交变a变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆电路，正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压，输出电压的幅值决定于各组可控整流装置里的控制角频率决定于正、反两组整流装置的切换频率，如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角，使相应的平均电压逐渐增大，然后再逐渐减小，对反向组负半周的控制也是这样，由于采用稳流角控制，输入功率因数低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置滤波和无功补偿设备，其最高输出频率不超过电网频率的。8. 交-直-交变频器电路框图（三相，电压型），如下图a所示 UAB V CM C W 整流 逆变 （a）图交-交变频器电路框图（单相电机）如下图b所示。9.PWM实现方法：自然采样法规则采样法 对称规则采样 不对称规则采样三角波为载波，正弦波为调制波（调制比）(载波比）Tt：载波周期。Ts：采样周期 比较复杂求解对称规则采样法： 计算简单，没应用广泛不对称规则采样： 复杂10.直流电机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种以下的他励直流电机进行分析：电压方程：而、机械特性方程：运动方程：改变Ra电枢电路的电阻改变电磁通改变电压U9. 异步电机变频调速工作原理：按转子结构不同分为笼型和线型两类，按电源相数不同分为：单相、两相和三相其中：f1为定子供电的频率，P为电动机的磁极对数，S为转差率，n0为同步转速，三相异步电动机机械特性曲异步电动机的调速方式只要有三种： 变极调速：变P（特制电机，成本高，结构复杂） 变砖茶调速：如转子串电阻调压调速，电磁转差离合器调速等，随有S 、 机械特性 变频率调速：见下： 异步电动机稳态等效电路三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： E1 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，Vf1：定子频率，HzN1:：定子每相绕组串联匝数。k：定子基波绕组系数m：每极气隙磁通量：Wb可见，只要控制电子电动势E1和频率f1，即可控制磁通m的大小。在交流异步电动机中，磁通往往需要控制在额定值附近，以保证磁材料的利用效率和防止磁通饱和。分为基频（额定频率）以下和基频以上调速两种方式。a.基频以下调速 若令 则当转速较高时U1E1 则 恒压频比控制低频时，须进行电压补偿，因为此时U1和E1均较小，定子漏磁阻抗压降所占的分量就比较显著，不可忽略。一无补偿曲线一带定子压降补偿异步电动机变压变频调速的控制特性曲线b.基频以上调速：（弱磁增速） 此时U1恒定，只有m下降，才能增大f1（ 磁通特性 转矩特性 功率特性 12.异步电动机的机械特性方程Te=f（s）恒压频（U/f)比控制下： 其中、NP为极对数当S很小时，可忽略上式分母中含S各项，则也就是说，当S很小时，转矩近似与S成正比，机械特性Fe=f（s）是一段直线当S接近于1时，可忽略分量中的，则即当S接近于1时，转矩近似与S成反比，这时Fe=f（s）是对称于原点的一段双曲线。令 A点稳定，B点不稳定工作：当TL负载增加时，由于使稳定而B点时： 使无法稳定运行串转子电阻后使Sm增大，扩大了稳定运行区间，增大了电机调速范围。13.变频器通常由主电路和控制电路两部分组成，变频器的主电路包括整流部分，直流环节、逆变环节、制动或回馈环节，变频器的控制电路包括变频器的核心软件算法电路，检测传感电路，控制信号的输入/输出电路，驱动电路和保护电路等。此时采用微处理器有以下优点：可靠性和稳定性增强控制精度高和实时响应存储能力大和软件更灵活。14.变频器控制电路和系统的发展趋势：PWM调制技术更加成熟专用行业应用软件的应用人机界面更加合理化实现高水平的控制：a.神经网络控制；b.模糊控制；c.专家系统；d.控制。15.在工业应用中，笼型异步电动机占电动机总数的比例很大，因此其调速方法和控制技术无疑是电动机控制的关键技术，最显著的优点：节能效果，较高的控制精度及较宽的调速范围等。16.变频调速方式与其他调速方式相比具有启动电流小，启动转矩大；转速连续可调速度转矩电流控制精度高；操作性安全性高，便于远程控制；功率因数高，谐波影响小等优点。17.按负载的机械特性，可分为以下三大类：恒转矩负载：传送带，搅拌机，挤压成形机等摩擦负载，吊车和升降机等重力负载W=P*tn，（其中）。平方降转矩负载：风扇、风机、泵风流体机械，Wn。恒功率负载：卷扬机、卷纸机等。18.恒压频比(U/f）控制的优点是控制简单，容易实现，缺点是属于开环控制方式，动态性能不好，电源电压利用率低，在用于同步机时容易因突加负载或转速指令突变而发生矢步现象。19.直接转矩控制（DTC)：通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的转矩和磁链，并根据与给定值比较得到的差值，实现磁链和转矩的直接控制。20.矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。交流异步电动机的矢量控制，主要是运用坐标变换的方法，将三相异步电动机中三相ABC静止坐标系转换为两相静止坐标系-坐标，再进而转换为两相同步旋转坐标系-，分别控制交流异步电动机磁链和转矩电流，就可以将其等效为直流电动机来控制，获得与直流电机同样好的静态及动态性能。D轴常被称为励磁分量，q轴称为转矩分量。矢量控制原理图 21.矢量控制的坐标变换： clarke变换：是将三相平面坐标系A-B-C向两相平面直角坐标系-的转换。其中选择A轴和轴重合，（或3/2变换）矩阵表达式为：Clarke变换式从两相平面静止坐标系-到两相旋转坐标系d-q的变换称为park变换，轴与d轴之间的夹角（=wt）随时间变化，其矩阵变换式为： Park变换式Clarke-1和park-1的矩阵式如下： Clarke-1变换 park-1变换22.空调工作原理：空调分为单冷空调和冷暖两用空调，工作原理是一样的，空调使用的制冷剂是氟利昂。氟利昂的特性时：由气态变为液态是释放大量的热量，而从也太转为气态势，会吸收大量的热量，空调就是依据此原理而设计的。变频空调具有制冷，制热迅速运行舒适性好，节店和外面温度低时制热能力强等优点。23.变频调速系统主要由变频器、电动机和工作机械等装置组成，电机拖动的任务就是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动作业的要求。24.异步电动机的电磁转矩是电流与磁场之间相互作用的结果。CT-转矩常数，I2-转子电流 m-每极的磁通量 2-转子电流的功率因数负载转矩TL 与负载转速nL的平方成正比，见下式 其中 T0-转矩损耗 KT-常数点是电力拖动的工作点，也是变频调速系统的工作点电动机机械特性曲线与负载 特性曲线25.调速系统的性能指标：调速范围调速的平滑性调速的工作特性：包括静态特性和动态特性。静态特性主要是调速后机械特性的硬度调速的经济性。26.对于绝大多数负载来说，机械特性越硬，则负载变化时，速度变化越小，工作越稳定，所以机械特性越硬越好。27.变频调速系统驱动恒转矩负载时，由于转矩不随转速的变化而变化，即电动机的电流基本不变，由于低速时风扇的冷却效果变差，则低速时易发生过热现象，为此应注意下列事项：考虑为恒转矩负载选用变频器专用电机加载专用冷却风扇增大一档电机容量，降低负载率。（传送带，升降机为例）28.对于以风扇、风机、泵为代表的平方降转矩负载来说，随着转速的降低，所需转矩的平方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，即使选用普通异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水力机械很适合由U/f控制的变频器进行驱动，担当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需的动力随转速的提高而急剧增加，极易超出电机和变频器的容量。导致运行中断和发生过载现象，所以应避免高频运行。29.自动扶梯属于恒功率负载。30.飞轮：安装在机器回转轴上具有较大转动惯量的轮状蓄能器，当机器转速升高飞轮动能增大，把能量贮存起来；当机器转速下降时，飞轮动能减小把能量释放出来，所以飞轮可以用来较小机械运转过程中的速度波动。31.直流电动机的四象限运行：第I象限：正转，电动机做电动运行，I组变流器工作在整流状态，I 90，EUD.第II象限：正转，电动机做发电运行，II组变流器工作在逆变状态，IIUd.第III象限：反转，电动机做电动运行，II组变流器工作在整流状态，II90，EUD。第IV象限：反转，电动机做发电运行，I组变流器工作在逆变状态，IUd32.电流型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态变频调速控制系统主要有开环控制和闭环控制两种方式。开环控制方式一般采用U/f控制的通用变频器或无速度传感器矢量控制变频器，开环控方案结构简单，运行可靠，饭调速精度和动态相应特性不高尤其在低速区域显得较为突出。闭环可控制方式一般采用带速度PID调速器的U/f控制变频器或有速度传感器矢量变换控制变频器，适用于温度，压力，流量，速度，张力，位置，PH值等过程控制的场合，其优点：可精确的进行转矩控制，系统动态响应快，性能好。33. 恒转矩负载的变频器可以用于风机，水泵类负载，而降转矩负载特性的变频器不能用于恒转矩特性负载，对于恒功率负载特性的变频器是依靠U/f控制方式来实现的，并没用恒功率特性的变频器。34.变频器容量的选择依据：从电流角度从效率角度从计算功率的角度35. 变频器箱体结构的选择：须考虑环境条件中温度、湿度、粉尘、酸碱度和腐蚀性气体等因素，分为：敞开性IP00封闭型IP20密封型IP45密闭型IP6536.交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形（三相供电）如果控制角一直不变，则输出平均电压为（c）图方波，要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角，如在I组导通的半个周期中，使控制角由时交平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到。当交按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为（a）途中的正弦波。对II组的控制也是这样37.以往的SPWM正弦波脉宽调制技术的电压利用率仅为0.866.为此人们又提出了三次谐波注入等技术，来使调制比M1，而又不会出现过调制现象，但这些方法都是出于补救的目的，目前效果最好的是电压空间矢量SVPWM技术磁链轨迹法，这种方法实行电动机的角度出发，其目标是使交流电动机产生圆形磁场，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其运动轨迹与磁链重合这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题讨论，SVPWM的电压利用率近似为1.38.基本电压空间矢量;左图中，V1V6是6个IGBT全控开关器件，a，b，c分别代表三个桥臂的开关状态，规定：当上桥臂开关管开状态时（此时下桥臂开关要必然是“关”状态），开关状态为“1”，当下桥臂开关管是“开”状态时（此时对应的上管必然是“关”状态），开关状态为“0”，因此，a，b，c三个桥臂形成000,001,010,011,100,101,110.和111共八种（23=8）开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以这两开关模式为零状态。三相逆变器输出的线电压矢量UAB UBC UCAT与开关状态矢量a b cT的关系为式（1） 式1 式2三相逆变器输出的相电压矢量UA UB UCT与开关状态矢量a b cT的关系为：式（2）开关状态与相电压和线电压的对应关系abcUAUBUCUABUBCUCA000000000100011000100011000101010111000000用clarke变换式，将A-B-C坐标系中的相电压转换到-坐标系中去；开关状态与相电压在-坐标系的分量的对应关系abcUU矢量符号000001000110010011000110111100 2 1 0 3 4 5 （a）基本电压空间矢量 60 （b）电压空间矢量的线性组合 从图（a)可以看出，非零的基本电压空间矢量只有六个，如果想获得尽可能多的多边形旋转磁场，就必须有更多的逆变器开关状态，可以利用六个非零的基本电压空间矢量 的线性时间组合来得到更多的开关状态，如图（b）所示，和代表相邻的两个基本电压空间矢量:是想要输出的参考相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转角速度就是输出正弦电压的角频率，可由和线性时间组合来合成，它等于倍的和倍的的矢量和，其中t1和t2分别是和作用的时间，Tpwm是作用的时间，当Tpwm取足够小时，电压空间矢量的轨迹是一个近似圆形的正多边形。（磁链圆轨迹是电压矢量 的切线方向）！根据三角形定理： 公式中，Tpwm、Uout、和Ux、均为已知量，可求得t1在Tpwm期间插入零矢量是和作用的时间t0，使Tpwm=t1+t2+t0，为了使功率开关的开关次数最小，减少开关损耗。扇区号的确定：将基本电压空间矢量图划分为6个扇区，分别为1.2.3.4.5确定位于哪个扇区，才能用相应的对基本电压空间矢量去合成。确定所在扇区号的方法有两种：当Uout以-坐标系的分量形式Uout、Uout给出时，计算中间量B0、B1、B2式中sign（x）是符号函数，如果x0则sign（x） =1；如果x0则sign(x）=0P值与扇区号的对应关系P123456扇区号150324当Uout以幅值和相角的形式给出时，可直接根据相角来确定它所在的的扇区当由六个基本电压空间矢量合成的Uout近似以圆形轨迹旋转时，其圆形轨迹的旋转半径受六个基本电压空间矢量幅值的限制，最大圆形轨迹是六个基本矢量幅值所组成的正六边形的内接圆，因此，Uout的最大幅值是。 的最大轨迹圆39.电压型三相桥式逆变器中，由导通型和导通型两种换相方式。 0 60 120 180 240 300 360 420165162132432435465165162 UANUBN U UAB -U 相电压为6阶梯波，线电压为方波！导电型特点：各管导通，关断相差 0 60 120 180 240 300 360 420 ANBNCNAB U -U 相电压为方波，线电压为6阶梯波40.在PWM控制电路中，载波频率与调制波频率fc之比N=称为载波比,PWMT调制方式根据载波和信号波是否同步及载波比的变化可分为：异步调制和同步调制两种。异步调制方式根据载波和信号波不保持同步的调制方式称为异步调制，在异步调制方式中，通常保持载波频率fr固定不变，因而当信号波频率fc变化时，载波比N是变化的，同时，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后周期的脉冲也不对称。当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期的脉冲数较多，不对称所产生的影响较小，PWM波形接近正弦波。当fc增大时，N减小，一周期内脉冲数减小，PWM脉冲不对称的影响就变大，故在采用异步调制方式时，采用较高的fr，以使信号波频率fc较高时，仍能保持较大的载波比N。同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波比和信号波比保持同频的方式称为同步调制。在基本同步调制方式